CN110015997A - 一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于绿色化工领域，具体涉及一种利用果糖制备高附加值含氮杂环化合物2,5‑脱氧果糖嗪的方法。该方法克服了现有制备2,5‑脱氧果糖嗪反应中存在的反应时间长、收率低、目标产物选择性差且成本较高等问题。本发明是以还原糖果糖为原料，外加氮源溶解于蒸馏水中，将其置于反应容器中进行水热反应，生成含有2,5‑脱氧果糖嗪粗产品的混合液。然后将混合液旋蒸浓缩，使其溶解于结晶溶剂中，过滤，去除不溶杂质，滤液静置，结晶得到产品2,5‑脱氧果糖嗪。本发明具有原料价格低廉、工艺简单、过程无污染、所得产品纯度高和收率好等优点。

Description

一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法

技术领域

本发明属于绿色化工领域，具体涉及一种利用果糖制备高附加值含氮杂环化合物2,5-脱氧果糖嗪的方法。

技术背景

以碳水化合物为原料催化转化为液体燃料和高附加值的化学品，可以减轻人类对石化资源的过度依赖，也能从源头上抑制当前日益严重的环境问题。例如，使用果糖、葡萄糖、氨基葡萄糖酸和乙酰氨基葡萄糖等六碳糖为原料，通过生物炼制途径生产附加值高的化学品就是一种较好的选择。到目前为止，果糖转化为典型的含氧小分子化合物已取得了显著的成果，如5-羟甲基糠醛或乙酰丙酸等平台化合物。这些含氧平台化合物在食品和制药工业具有广阔的应用前景。如果能够将相对低廉的还原糖果糖通过外加氮源高效转化为附加值更高的含氮精细化学品，不但具有较高的经济价值，也有利于节约传统资源，保护环境，符合绿色可持续的发展路线。在之前的文献报道中，以菊粉为原料，甲酸铵为氮源，经过两步反应可制得目标产物2,5-脱氧果糖嗪。该反应步骤复杂，反应时间过长，收率低且目标产物选择性差。此前我们对以甲壳素类生物质资源为原料制备附加值高的含氮化学品进行了全面研究，获得了较高的收率。该研究以氨基葡萄糖作为反应物，然而从多糖甲壳素制备单糖氨基葡萄糖的工艺复杂，而且成本较高。发明专利“一种利用甲壳素类生物质资源制备含氮杂环化合物的方法”，其中不能选择性制备脱氧果糖嗪，同时生成大量果糖嗪，产物分离难度大，离子液体催化剂的用量大，并且结晶得到产品的步骤复杂。

发明内容

本发明是针对现有制备2,5-脱氧果糖嗪反应中存在的反应时间长、收率低、目标产物选择性差且成本较高等问题，提出了一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪方法。

为了解决上述技术问题，本发明采用一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪方法。

其反应方程式为：

包括以下步骤：

（1）将果糖和外加氮源溶解于蒸馏水中；

（2）将果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，进行水热反应，生成含有2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液；

（3）将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，使其溶解于结晶溶剂中，过滤，去除不溶杂质，滤液静置，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪。本发明的反应步骤简单，操作方便，容易控制。

进一步，所述步骤（1）中的果糖和外加氮源的质量比为1:1-4。在该比例范围内外加氮源的利用率最大。

更进一步，所述步骤（1）中的果糖和外加氮源的质量之和与蒸馏水的质量比为1:3-25。在该比例范围内可以使反应更加充分。

更进一步，所述步骤（2）中水热反应的温度为25 °C–200 °C，反应时间为5分钟–6小时。结果表明，反应开始时2,5-脱氧果糖嗪的收率较低，随着反应时间从5分钟增加到2小时，2,5-脱氧果糖嗪的收率持续增加。当反应时间超过2小时，2,5-脱氧果糖嗪的收率稳定在40%至50%之间。当反应温度从25 °C升高到120 °C，果糖的转化率逐渐升高，2,5-脱氧果糖嗪的收率也逐渐增加。在120 °C时，果糖的转化率为100%，此时2,5-脱氧果糖嗪的收率也达到最高60%。当反应温度超过120 °C，2,5-脱氧果糖嗪的收率未见进一步提高。因此，反应温度为25 °C–200 °C，反应时间为5分钟–6小时为该反应的最佳反应温度和反应时间范围。

更进一步，所述步骤（3）中的结晶溶剂为一种有机溶剂或两种有机溶剂以1:1-10体积比的混合物。在该比例范围内可以得到较高纯度的2,5-脱氧果糖嗪。

更进一步，所述步骤（3）的静置时间为10-24小时。在该时间范围内2,5-脱氧果糖嗪的收率最高。

更进一步，所述步骤（1）中的外加氮源为无机铵盐，包括氯化铵、硝酸铵、磷酸氢二铵或碳酸氢铵中的一种。使用无机铵盐作为外加氮源制备2,5-脱氧果糖嗪，具有成本低、收率高等优点。

更进一步，所述步骤（3）中的结晶溶剂为甲酸、甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、苯、甲苯或乙酸乙酯。使用这些有机溶剂可以得到较高纯度的2,5-脱氧果糖嗪。

2,5-脱氧果糖嗪即是一种重要的香料潜香物，又有较强的生理活性和药用价值，特别在预防和治疗Ⅱ型糖尿病及其并发症方面有较好疗效。因此，开发新的技术，高选择性、高收率地制备2,5-脱氧果糖嗪有潜在的较高经济价值。此前我们对以甲壳素类生物质资源为原料制备附加值高的含氮化学品进行研究，获得了较高的收率。该研究是以氨基葡萄糖作为模型化合物进行反应，然而从多糖甲壳素制备氨基葡萄糖的工艺复杂，且成本较高。因此，可以选择相对低廉的果糖为原料，通过外加氮源，制备附加值高的含氮化学品2,5-脱氧果糖嗪。本发明的目的是提供一种操作方便、反应步骤简单及反应条件容易控制的方案。通过加入外加氮源，在25 °C–200 °C温度范围内反应5分钟–6小时，可将果糖转化为2,5-脱氧果糖嗪。具体过程为：首先称取一定量的果糖和外加氮源溶解在蒸馏水中，然后将水溶液转移至反应容器中。向反应容器中加入搅拌磁子，将反应盖旋紧，置于预设好温度的导热硅油中搅拌。反应到达预设时间后，关闭恒温油浴电源开关，将反应容器取出，置于冰水中迅速冷却，结束反应。通过定量核磁方法分析原料转化率和产物收率。

根据上述反应，通过调节反应温度和反应时间，控制果糖与外加氮源的质量比为1:1–4，可使氮源得到最大利用。果糖与氯化铵、硝酸铵、磷酸氢二铵或碳酸氢铵等无机铵盐反应，有更好的产物选择性。对2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行旋蒸浓缩，使其溶解于一种有机溶剂或两种有机溶剂以1:1-10体积比混合的结晶溶液中，静置10-24小时，可以得到较高收率和高纯度的2,5-脱氧果糖嗪。其中，有机溶剂包括：甲酸、甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、苯、甲苯或乙酸乙酯。

本发明的优点

(1) 2,5-脱氧果糖嗪作为高附加值的平台化合物，由于其特殊的芳香结构，因此具有特殊致香作用，是一种重要的香料潜香物；同时又有较强的生理活性而具有较高的药用价值。

(2) 本发明操作简单，反应条件易于控制，不需要高温高压即可制备2,5-脱氧果糖嗪。

(3) 生成的目标产物2,5-脱氧果糖嗪具有收率好和纯度高等优点。

(4) 反应原料果糖的价格相对低廉，且工艺简单，利于产业化。

附图说明

图1是本发明产物2,5-脱氧果糖嗪的¹³C 核磁共振谱。

具体实施方式

实施例1：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取5 g果糖和15 g氯化铵，溶于500 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为120°C，反应时间为2小时。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为100%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为60%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入300 ml乙醇和甲酸（v/v=1:6），过滤，去除不溶杂质，滤液静置10小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥98%。

实施例2：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取6 g果糖和10 g硝酸铵，溶于120 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为200°C，反应时间为50分钟。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为100%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为35%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入110 ml甲醇和乙醚（v/v=1:8）甲醇和乙醚中，过滤，去除不溶杂质，滤液静置20小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥96%。

实施例3：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取6 g果糖和6 g磷酸氢二铵，溶于180 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为135°C，反应时间为4小时。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为100%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为55%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入180 ml乙醇和石油醚（v/v=1:3），过滤，去除不溶杂质，滤液静置15小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥98%。

实施例4：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取5 g果糖和11 g碳酸氢铵，溶于300 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为160°C，反应时间为3小时。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为100%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为47%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入240 ml乙醇和氯仿（v/v=1:10），过滤，去除不溶杂质，滤液静置12小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥97%。

实施例5：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取2 g果糖和3 g硝酸铵，溶于15 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为25°C，反应时间为6小时。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为87%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为24%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入50 ml苯和乙醚（v/v=1:1），过滤，去除不溶杂质，滤液静置24小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥96%。

实施例6：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取5 g果糖和7 g磷酸氢二铵，溶于210 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为180°C，反应时间为5分钟。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为75%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为12%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入200 ml乙醇和甲苯（v/v=1:5），过滤，去除不溶杂质，滤液静置18小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥96%。

实施例7：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取3 g果糖和12 g氯化铵，溶于150 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为95°C，反应时间为5小时。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为100%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为43%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入120 ml甲醇和氯仿（v/v=1:2），过滤，去除不溶杂质，滤液静置22小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥98%。

实施例8：

本实施例中利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪包括以下步骤：

第一步：称取4 g果糖和5 g碳酸氢铵，溶于70 g蒸馏水中搅拌使之混合均匀。

第二步：将配好的果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，设置反应温度为100°C，反应时间为1.5小时。反应结束后，取出少量2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液进行分析。得到果糖的转化率为100%，2,5-脱氧果糖嗪的摩尔收率为48%。

第三步：将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，加入100 ml乙酸乙酯和石油醚（v/v=1:4），过滤，去除不溶杂质，滤液静置14小时，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪，结晶产物的纯度≥98%。

Claims (8)

1.一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：包括以下步骤：

（1）将果糖和外加氮源溶解于蒸馏水中；

（2）将果糖和外加氮源的水溶液置于反应容器中，进行水热反应，生成含有2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液；

（3）将2,5-脱氧果糖嗪粗产品的混合液旋蒸浓缩，使其溶解于结晶溶剂中，过滤，去除不溶杂质，滤液静置，结晶得到产品2,5-脱氧果糖嗪。

2.根据权利要求1所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的果糖和外加氮源的质量比为1:1-4。

3.根据权利要求2所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的果糖和外加氮源的质量之和与蒸馏水的质量比为1:3-25。

4.根据权利要求3所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述步骤（2）中水热反应的温度为25 °C–200 °C，反应时间为5分钟–6小时。

5.根据权利要求4所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述步骤（3）中的结晶溶剂为一种有机溶剂或两种有机溶剂以1:1-10体积比的混合物。

6.根据权利要求5所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述步骤（3）的静置时间为10-24小时。

7.根据权利要求6所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述步骤（1）中的外加氮源为无机铵盐，包括氯化铵、硝酸铵、磷酸氢二铵或碳酸氢铵中的一种。

8.根据权利要求5-7任一项所述的一种利用果糖制备2,5-脱氧果糖嗪的方法，其特征在于：所述的有机溶剂为甲酸、甲醇、乙醇、乙醚、石油醚、氯仿、苯、甲苯或乙酸乙酯。